AEGLOSLAB 무인항공과 첨단항공모빌리티

제3부 전파·통신

3.14 셀룰러 연결 드론: LTE·5G 공중 단말·간섭·네트워크 지원

3.14.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자

지상의 이동통신망은 땅 위 사람을 위해 설계됐다. 기지국 안테나는 아래를 보고, 건물은 먼 기지국의 전파를 막는다. 그런데 고도 100 m의 기체는 그 두 가정을 모두 깨뜨린다. 이 장은 이 어긋남이 얼마나 큰지를 몬테카를로로 보이고, 3GPP가 이를 어떻게 다루는지와 셀룰러 C2의 지연·다중화를 다룬다.

배우는 것:

  • 셀룰러 연결 UAS가 사용되는 이유와 한계 — 비가시권 C2·영상, 기존 인프라, 한국의 K-드론교통관리.
  • 공중 단말의 문제 — 기지국 안테나의 하향 틸트, 고도에 따라 열리는 가시선, 하향 SINR 저하와 상향 간섭.
  • 육각 셀 몬테카를로 — 고도 1.5~300 m에서 가시선 기지국 수·경쟁 셀 수·SINR을 계산하고 모형의 한계를 읽는 법.
  • 3GPP의 UAS 지원 — 연구 보고서·측정 보고 이벤트·서비스 요구·식별과 인증.
  • 지연과 처리량 — 2.11.6의 LTE 구성 393 ms가 무엇으로 이루어지는가, 5G URLLC의 이론과 현실.
  • 이중 통신사 다중화 — 공통 원인 고장이 만드는 가용도의 하한.

선수 지식: 자유공간 손실은 3.2, 가시선 확률 모형의 계보는 3.4, 링크 버짓은 3.8를 본다. 지연 버짓은 2.11.6이다. 표준 상세는 9.15, C2 성능 표준은 9.13이 맡는다.

특히 중요한 독자: 엔지니어는 3.14.4와 3.14.5를 읽는다. 사업·정책 담당자는 3.14.2, 3.14.9와 비교표 3.14.11이면 된다. 인증 담당자는 셀룰러 링크가 안전 필수 C2로 인정되는 조건(3.14.13)을 본다.

기준 시점과 정직성. 이 장은 2026년 10월을 기준으로 작성한 기술 장이고 지식은 2026년 중반까지다. 몬테카를로는 교육용 단순 모형이고 파라미터는 모두 가정이며(3.14.5의 표), 특정 통신사·지역의 측정이 아니다. 3GPP·FCC·실증 사례는 검색 요약으로 확인한 범위만 단정했고 사양 원문은 읽지 못했다. 확인하지 못한 것은 (확인 필요), 제조사·기관 주장은 (공개 주장치)로 표시했다.

3.14.2 개념·직관 — 왜 셀룰러인가, 무엇이 문제인가

비가시권(BVLOS) 운용에는 링크가 필요하다. 전용 C2 대역(3.11)은 지상국을 직접 세워야 하고 위성(3.13)은 지연과 단말 부담이 있다. 셀룰러는 이미 전국에 깔려 있다. 기체에 모뎀과 SIM만 달면 영상과 C2를 인터넷으로 보낼 수 있고, 한 지상 서버가 여러 대를 운용한다(14.16). 한국에서는 국토교통부의 K-드론시스템(드론교통관리) 실증이 LTE·5G 데이터링크를 사용하는 형태로 보도됐다(14.23, 아래 3.14.9).

세 축에서 요구가 다르다.

  • 군용 드론 — 상용 망은 평시 훈련과 후방 지원에 사용되고, 전장의 주 링크로는 가용성과 탐지 위험 때문에 제한적이라고 본다. 전장에서 상용 셀룰러 모뎀을 사용하는 사례는 공개 보도에 언급되나 이 장은 확인하지 못했다 (확인 필요, 10.8·13.3). 군 전술 통신은 3.16가 다룬다.
  • 민간 UAS — 배송·점검·측량의 BVLOS 링크가 주 용도다. 저고도(120 m 안팎)와 소수의 기체가 전제다.
  • AAM — 저고도 순항(수백 m)에서 지상 인프라와 연동하는 후보다. 안전 필수 C2로 인정받으려면 항공 안전 요건이 따로 필요하다(15.15).

그러나 셀룰러망은 땅 위 사용자에 맞춰 설계됐다. 두 가정이 하늘에서 깨진다.

  1. 기지국 안테나는 아래를 본다. 주빔이 땅을 향해 기울어(하향 틸트) 있어서, 위쪽은 주빔이 아니라 부엽으로 들린다.
  2. 지상 단말은 건물에 가려 가까운 기지국 한두 곳만 강하게 듣는다. 이것이 주파수 재사용을 가능하게 한다. 하늘에서는 건물이 가리지 않아 먼 기지국도 가시선으로 보인다.

결과는 이렇다. 신호(서빙 셀)는 그다지 약해지지 않는데 간섭이 훨씬 크게 늘어 하향 SINR이 떨어진다. 반대로 기체의 송신은 여러 기지국에 닿아 지상 단말의 간섭원이 된다. 아래 그림이 구조를 보인다.

고도 100 m 기체 서빙 셀 간섭 셀(가시선) 지상 단말 건물 하향: 하늘에서는 먼 기지국까지 가시선이라 간섭원이 된다 상향: 기체의 송신이 가시선 기지국 여러 곳에 들어간다 기지국 안테나의 주빔은 땅을 향하고, 기체는 부엽으로 듣는다
공중 단말의 간섭 구조 — 지상 단말은 가까운 한 기지국이 강하고 먼 기지국은 건물에 가려 약하다. 기체는 가시선이 열려 먼 기지국까지 같은 크기로 들리고(점선), 서빙 셀도 안테나 부엽으로 받는다

3.14.3 원리 I — 기지국은 땅을 본다

기지국 섹터 안테나는 수직으로 좁은 빔을 만든다. 그 패턴을 3GPP 안테나 요소 모형의 꼴로 나타낸다. 3GPP TR 38.901의 요소 패턴이 $-\min\{12((\theta-90^{\circ})/\theta_{3\mathrm{dB}})^{2},\ \mathrm{SLA}_V\}$ 형태이고 $65^{\circ}$·30 dB·8 dBi라는 값이 시뮬레이터 코드에 사용되고 있음을 검색 요약으로 확인했다(원문은 확인하지 못했다). 이 장은 같은 함수꼴에 배열 안테나다운 값을 가정한다.

$$A_V=\min\!\left\{12\left(\frac{\theta-\theta_0}{\theta_{3}}\right)^{2},\ \mathrm{SLA}_V\right\},\quad A_H=\min\!\left\{12\left(\frac{\varphi}{\varphi_{3}}\right)^{2},\ A_m\right\},\quad G=G_{\max}-\min\{A_V+A_H,\ A_m\}$$

$\theta$는 기지국에서 본 단말의 앙각(위가 양수), $\theta_0=-\theta_{\text{틸트}}$는 주빔 중심, $\varphi$는 섹터 방위와의 차이다. 가정은 $G_{\max}=17$ dBi, 수직 3 dB 빔폭 $\theta_3=10^{\circ}$, 틸트 $8^{\circ}$, $\mathrm{SLA}_V=A_m=25$ dB, 수평 3 dB 빔폭 $\varphi_3=65^{\circ}$다.

예. 기지국 높이 25 m, 단말까지 수평 300 m다. 지상 단말(1.5 m)은 앙각이 $-4.5^{\circ}$이고 주빔 중심($-8^{\circ}$)에서 $3.5^{\circ}$ 떨어져 이득이 15.5 dBi다. 고도 100 m의 기체는 앙각이 $+14.0^{\circ}$이고 주빔에서 $22^{\circ}$ 떨어져 감쇠가 상한 25 dB로 잘려 이득이 $-8.0$ dBi다. 안테나 이득만 보면 기체가 23.5 dB 불리하다. 그런데 경로 손실은 이 장의 모형에서 지상 단말이 117.1 dB(NLoS), 기체가 88.3 dB(자유공간)다. 그래서 수신 전력은 지상 $-55.6$ dBm, 기체 $-50.3$ dBm으로 기체가 오히려 5.3 dB 강하다. 안테나가 약해진 몫을 가시선이 되돌려 주는 셈이다. 이것이 3.14.5의 "서빙 수신 전력이 거의 변하지 않는다"는 결과의 이유다.

3.14.4 원리 II — 하늘에서는 가시선이 열린다

3.14.4.1 가시선 확률

결론부터: 단말이 건물보다 높아지면 먼 기지국과의 가시선 확률이 급히 오른다. 가시선 확률은 경로 위 건물 하나하나를 피할 확률의 곱으로 나타낸다. 이 장은 건물 통계 $(\alpha,\beta,\gamma)$로 만드는 ITU-R P.1410 계열의 구조를 따른다(권고의 표 값은 이 장에서 확인하지 못했다).

기호뜻가정
$\alpha$건물이 점유하는 면적 비율0.3
$\beta$단위 면적당 건물 수 [개/km²]500
$\gamma$건물 높이의 레일리 분포 척도 [m]15 (평균 높이 약 19 m)

건물 한 채의 바닥 폭 $w$는 $\alpha=\beta w^{2}$에서 $w=\sqrt{\alpha/\beta}\approx24.5$ m다. 직선이 가로지르는 건물 수는 길이 $r$ [km]에 대해 $\beta w r=r\sqrt{\alpha\beta}\approx12.3\,r$이므로, 경로의 건물 수를 $m+1$로 나타낸다.

$$P_{\mathrm{LoS}}=\prod_{n=0}^{m}\left[1-\exp\!\left(-\frac{h_n^{2}}{2\gamma^{2}}\right)\right],\quad h_n=h_{\mathrm{hi}}-\left(n+\tfrac12\right)\frac{h_{\mathrm{hi}}-h_{\mathrm{lo}}}{m+1},\quad m=\left\lfloor r\sqrt{\alpha\beta}-1\right\rfloor$$

$h_n$은 $n$번째 건물 위치에서 시선의 높이다. 건물 높이가 그보다 낮을 확률이 $1-e^{-h_n^2/2\gamma^2}$이다. 이 모형은 $m<0$이면 $P=1$이다. 값은 다음과 같다(기지국 높이 25 m).

단말 고도$r=100$ m200 m500 m1 km2 km
1.5 m0.320.060.000.000.00
30 m0.810.660.290.080.01
60 m0.980.920.720.520.27
100 m1.000.990.870.740.54
300 m1.001.000.990.950.86

읽는 법: 지상 단말은 500 m만 떨어져도 가시선이 사라지고, 고도 100 m의 기체는 2 km 밖의 사이트와도 54 %가 가시선이다. 이 곡선의 형태(고도·거리에 따른 시그모이드형 증가)는 문헌의 공대지 채널 모델들과 정성적으로 같다(3.4). 값은 가정이다.

3.14.4.2 하향 SINR과 상향 간섭

단말은 수신 전력이 가장 센 셀 $s$에 붙는다. 전부하(모든 셀이 계속 송신)이면 다음과 같다.

$$P_j=P_{tx}+G_j(\theta,\varphi)-L_j,\qquad \mathrm{SINR}=\frac{P_s}{\sum_{j\ne s}P_j+N},\qquad s=\arg\max_j P_j$$

$L_j$는 경로 손실(가시선이면 자유공간 손실, 아니면 NLoS 손실)에 음영을 더한 값이다. 하향에서는 기체가 피해자다. 가시선인 셀이 많아 분모가 커진다. 상향에서는 기체가 가해자다. 기체의 송신 $P_{UE}$가 셀 $j$에 $P_{UE}+G_j-L_j$로 수신되고, 이것이 그 셀의 자원블록당 열잡음 $N_{RB}=-174+10\log_{10}180\,\mathrm{kHz}+NF$보다 충분히 크면 그 셀의 지상 단말에게 간섭이 된다. 가시선 기지국이 많을수록 가해 범위가 넓다.

3.14.4.3 서빙 셀이 흐려지고 핸드오버가 늘어난다

경쟁 셀이 많으면 서빙 셀과 이웃의 수신 전력 차이가 작아진다. 작은 변동에도 가장 센 셀이 바뀌므로 핸드오버가 잦아진다. 3GPP의 RAN2 논의(Release 18 UAV 이동성 작업)가 비슷한 현상을 다룬다고 검색 요약으로 확인했다. 기체가 지붕 위에서 먼 기지국 안테나의 부엽을 듣고 가장 가까운 셀이 아닌 셀로 핸드오버할 수 있고, 높이에 따라 트리거 시간을 조정하자는 제안이 있었다. 이 장의 모형은 핸드오버율을 직접 계산하지 않고 서빙 셀의 6 dB 안에 들어오는 이웃 셀 수로 그 가능성을 가늠한다.

3.14.5 몬테카를로 — 모형과 결과

3.14.5.1 모형 가정

항목값
망육각 배치 61개 사이트(중앙 + 4링) × 3섹터 = 183개 셀, 사이트 간 거리 500 m
주파수·대역·송신2 GHz, 10 MHz, 섹터당 46 dBm, 모든 셀 전부하
기지국높이 25 m, 섹터 방위 30°·150°·270°, 안테나는 3.14.3의 가정
경로 손실가시선: 자유공간 손실, NLoS: 자유공간 + $20+19\log_{10}(d/100\,\mathrm{m})$ dB
음영로그정규, 가시선 4 dB·NLoS 6 dB, 사이트별 독립
가시선 확률3.14.4.1(α 0.3·β 500·γ 15)
하향 잡음$-174+10\log_{10}10\,\mathrm{MHz}+9=-95$ dBm(단말 잡음지수 9 dB)
상향단말 송신 23 dBm·0 dBi, 자원블록당 잡음 $-116.4$ dBm(기지국 잡음지수 5 dB), 간섭 문턱은 잡음보다 10 dB 높게 수신
단말 위치중앙 사이트의 육각 구역에 균일 3,000개, 고도마다 같은 방식
난수고정 시드 20261025

NLoS 손실의 크기와 기울기(약 39 dB/decade)는 지상 도심 매크로 모형(TR 38.901의 UMa NLoS)과 같은 자릿수가 되도록 맞췄다(수식을 이 장에서 원문으로 확인하지 못했다 (확인 필요)). 계산은 fig-src/3.14-model.py다.

3.14.5.2 결과

단말 고도가시선 사이트(61개 중)서빙 6 dB 안 이웃서빙 수신 전력 중앙값하향 SINR 중앙값하위 5 %SINR 0 dB 미만 확률상향 간섭 셀(183개 중)
1.5 m0.20.8$-46.8$ dBm4.0 dB$-3.2$ dB26 %25
30 m4.71.3$-34.6$ dBm0.3 dB$-4.4$ dB46 %28
60 m26.57.0$-41.3$ dBm$-7.9$ dB$-10.4$ dB99.9 %82
100 m40.89.5$-44.4$ dBm$-9.7$ dB$-12.6$ dB100 %122
150 m48.210.1$-45.9$ dBm$-10.1$ dB$-13.4$ dB100 %144
300 m55.815.1$-48.6$ dBm$-11.7$ dB$-14.5$ dB100 %166

서빙 수신 전력은 10 MHz 전체의 값이다. 아래 두 그래프가 같은 결과를 보인다.

0 30 60 100 150 200 300 −20 −10 0 10 20 단말 고도 h [m] 하향 SINR [dB] 0 dB 상위 95 % 중앙값 하위 5 %
단말 고도에 따른 하향 SINR(육각 셀 몬테카를로, 전부하) — 지상 1.5 m에서 중앙값 4 dB이던 것이 고도 60 m 이상에서는 상위 95 % 값마저 0 dB 아래로 내려간다. 점은 계산한 고도(1.5·30·60·100·150·300 m), 선은 점을 이은 것이고 모형 가정은 3.14.5의 표
0 30 60 100 150 200 300 0 10 20 30 40 50 60 단말 고도 h [m] 개수 가시선 사이트(61개 중) 서빙 셀과 6 dB 안의 이웃 셀
단말 고도에 따른 가시선 사이트 수와 경쟁 셀 수 — 고도 100 m에서 61개 사이트 중 약 41개가 가시선이고, 서빙 셀의 6 dB 안에 드는 이웃이 평균 9.5개다. 지상에서는 각각 0.2개와 0.8개다

3.14.5.3 읽는 법과 한계

읽을 것 넷.

  1. 신호는 약해지지 않고 간섭이 커진다. 서빙 수신 전력 중앙값은 지상 $-46.8$에서 100 m $-44.4$ dBm으로 거의 같다(3.14.3의 예). 가시선 사이트가 0.2개에서 40.8개로 늘어 SINR이 13.7 dB 내려간다. 같은 전력이 분모에도 들어가는 것이다.
  2. 고도 30~60 m 사이에서 급히 꺾인다. 건물 높이(평균 19 m)를 넘는 순간 가시선이 열린다. 이 구간은 소형 UAS의 운용 고도(120 m 이내)에 해당하므로 망 사정이 달라지는 곳이 곧 운용 고도다.
  3. 서빙을 다투는 셀이 늘어난다. 서빙의 6 dB 안에 드는 이웃이 0.8개에서 9.5개로 늘어, 핸드오버가 잦고 핑퐁이 생길 조건이다.
  4. 상향의 가해 범위가 넓어진다. 기체의 송신이 잡음보다 10 dB 높게 들리는 셀이 25개에서 122개로 늘어난다. 단말 한 대는 작지만 기체 수가 늘면 지상 사용자에게 간섭 자원이 된다.

한계를 정직하게 적는다.

  • 전부하는 간섭의 상한이다. 고도 100 m에서 이웃 셀이 절반만 송신하면 중앙값이 $-6.6$ dB, 30 %이면 $-4.3$ dB로 올라간다. 여전히 지상보다 낮다.
  • 61개 사이트(반경 약 2 km) 밖의 간섭은 빠져 있다. 고고도일수록 SINR이 낙관적이다.
  • 가시선·안테나·건물 파라미터가 가정이고, 단말 한 대만 본다. 상향 SINR·전력 제어·핸드오버율·셀 간 협력은 계산하지 않았다.
  • 지상 기준선(중앙값 4 dB)은 공개된 시스템 수준 결과보다 다소 낮을 수 있다 (비교는 확인 필요). 절대값이 아니라 고도에 따른 변화를 읽는다.
  • LTE의 가장 낮은 변조·부호 조합이 요구하는 SINR은 $-7$ dB 안팎으로 알려져 있다 (확인 필요). 이 모형이 보이는 $-10$ dB대는 연결이 어렵다는 뜻이지만, 다음 단락의 실증과 정성적으로 어긋나 보일 수 있다.

그 어긋남을 이렇게 읽는다. Qualcomm이 2017년에 상용 LTE망에서 지상과 30·60·90·120 m에서 약 1,000회 비행을 한 시험은 400 ft(약 120 m) AGL까지 기존 상용망의 커버리지와 끊김 없는 핸드오버를 보고했다(업체 보도, 모든 비행이 VLOS로 승인된 시험). 원인 후보는 부하(전부하는 극단)·실제 안테나의 부엽 형태·건물 환경·동시 공중 단말 수다. 이 모형은 어느 쪽이 맞는지 판정하지 못한다. 확실한 것은 기체가 많아질수록, 고도가 높을수록, 부하가 높을수록 간섭 문제가 커진다는 방향이다.

3.14.6 3GPP의 UAS 지원

3GPP가 UAS를 다룬 흐름은 다음과 같다(검색 요약으로 확인, 표준 상세는 9.15).

시기·문서내용
TR 36.777 (Release 15 연구, 2017년 완료)에릭슨과 NTT 도코모가 보고자였다. 기존 LTE로 공중 단말을 서빙할 수 있으나 식별·비행 모드 탐지·간섭 탐지와 완화·이동성의 개선이 유익하다고 결론
Release 15 LTE단말의 높이를 기준으로 하는 측정 보고 이벤트(H1·H2) 도입. 보고에 높이를 실을 수 있고 망이 간섭·비행 모드 탐지에 사용한다 (조항 번호 확인 필요)
TS 22.125 (Stage 1, 서비스 요구)3GPP 시스템의 UAS 지원 요구, 초기 계획은 Release 16
TS 23.256 (Stage 2, Release 17)UAS 연결·식별·추적의 구조: UAV와 USS(UTM) 사이의 UUAA(UAS 인증·인가), 추적, 컨트롤러 교체. CAA 수준 UAV ID 개념 (최종 사양 확인 필요)
TS 33.256 (보안)TS 23.256의 구조에 대한 보안 특성. 후속 판에서 방송 Remote ID·A2X 직접 통신·직접 탐지·회피를 더했다
Release 18 RAN2 논의높이에 따른 이동성 설정(시간 트리거 조정) 등 UAV 이동성 개선
Release 19위성 NTN의 재생형 탑재체와 함께 항공기·드론 지원 개선을 포함한다고 2차 자료가 설명 (확인 필요)(3.13.7)

핵심은 망이 기체를 알아야 한다는 것이다. 가입 단계에서 공중 단말임을 식별하고(비행 모드 탐지), 망이 높이·위치를 받아 간섭을 관리하고, 5G 코어가 UAV와 USS를 인증으로 묶는다. 이 인증·식별은 Remote ID(14.24)와 UTM(14.22)에 이어진다.

3.14.7 지연·처리량 — 393 ms의 내용과 URLLC

2.11.6의 C 구성(LTE 영상) 은 합 393 ms다. 구성 요소는 포착 33.3, 인코딩 66.7, 영상 링크 80, 버퍼·디코딩 100, 표시 33.3, 명령 상향 80 ms이고 합은 393.3 ms다. 이 장은 80 ms가 어디서 오는지만 보태고 값을 바꾸지 않는다. 아래 분해는 합이 80 ms가 되도록 둔 가정이며 측정이 아니다.

구간한 방향 [ms]무엇이 사용되나
무선 접속20상향 스케줄링 요청·승인 대기, HARQ 재전송(3.9.6.2)
기지국·코어·전송망20터널링, 라우팅, 백홀
인터넷 경유·서버40지상 서버로 가는 경로
합802.11.6의 영상 링크와 명령 상향 각각

5G의 URLLC는 ITU-R M.2410의 요구가 1 ms(사용자 평면, 한 방향)와 32 바이트를 1 ms 안에 99.999 % 보내는 신뢰도라고 검색 요약으로 확인했다. 이 값은 무선 구간의 요구이고 종단 지연이 아니다. 그 목표를 사용하려면 짧은 슬롯·사전 승인 전송·여유 있는 자원이 필요하다. 상용 공공망에서 이 모드가 얼마나 배치됐는지는 확인하지 못했다 (확인 필요). 공중 단말에서는 간섭이 BLER과 재전송을 늘려 재전송 여유가 없는 URLLC의 조건을 맞추기 더 어렵다(견해, 근거는 3.14.5의 SINR).

무선 구간이 1 ms가 되어도 2.11.6의 C 구성에서 영상 경로의 나머지(포착·인코딩·버퍼·표시)는 $33.3+66.7+100+33.3=233.3$ ms가 남는다. 링크 80 ms를 0으로 만들어도 합이 233 ms다. 이는 2.11.6의 정밀 호버 한계 지연 169 ms보다 크다. 지연을 줄이는 것은 네트워크가 아니라 영상 경로의 설계(3.12)다.

처리량은 영상의 상향이 중요하다. 2.9.5가 가정한 약 4 Mbit/s를 상향으로 보내려면, 샤논 용량에 구현 효율 0.6(가정)을 곱한 모형에서 필요 SINR이 할당 대역에 따라 다음과 같다.

상향 할당 대역3 MHz5 MHz10 MHz20 MHz
4 Mbit/s에 필요한 SINR5.6 dB1.8 dB$-2.3$ dB$-5.9$ dB

대역을 적게 받으면 필요 SINR이 올라간다. 기체의 상향 SINR이 서빙 셀의 가시선 덕에 나쁘지 않더라도, 셀의 상향 자원을 여러 사용자와 나눠야 한다.

3.14.8 링크 다중화 — 이중 통신사·다중 연결

모뎀 둘을 서로 다른 통신사에 연결하면 한 통신사의 끊김을 다른 쪽이 메운다. 두 링크가 독립이면 비가용도는 곱이다. 그러나 두 링크는 흔히 같은 원인으로 함께 끊긴다. 같은 철탑을 나눠 사용하고, 같은 고도에서 같은 사각이 생기고, 기체 안테나 가림이 같다. 이 공통 원인을 비율 $\beta$로 나타내는 3.11.5.1의 모형(2.5.4.3의 $\beta$-요인)에서 링크가 둘인 경우다. 원인 목록은 3.11.5.2에 있다.

$$U_{\text{합}}\approx\beta\,U+\bigl((1-\beta)U\bigr)^{2},\qquad U=1-a$$

링크 하나의 가용도 $a=99.0\%$(가정, $U=1\%$)일 때다.

공통 원인 비율 $\beta$00.10.30.5
합 가용도99.990 %99.892 %99.695 %99.498 %
연간 중단 시간0.9 시간9.5 시간26.7 시간44.0 시간

$\beta=0.3$이면 다중화 효과가 99.99 %에서 99.70 %로 줄어든다. 링크 하나의 비가용도 1 %의 30 %가 공통이라는 뜻이고 하한은 $\beta U=0.3$ %가 된다. 3.14.5가 보인 대로 하늘의 가시선 구조는 통신사와 무관하게 같은 곳에서 문제를 만들 수 있으므로 고도에서의 $\beta$는 지상보다 클 수 있다(추정). 기체 안테나 두 개가 같은 기체 자세에서 함께 가려지는 문제는 3.6가 다룬다. 지상 셀룰러와 위성(3.13.7)을 짝지으면 $\beta$가 작아지지만 단말 질량이 는다.

3.14.9 공개 실증과 규제 현황

Qualcomm LTE 드론 시험(2017). 보고서는 샌디에이고의 UAS 비행 센터에서 지상과 30·60·90·120 m에서 약 1,000회의 비행으로 커버리지·신호 세기·처리량·지연·이동성을 측정했다. PCS·AWS·700 MHz 대역에서 상용 망이 400 ft AGL까지 커버리지를 제공했고 끊김 없는 핸드오버를 보였다고 업체가 밝혔다. 모든 비행은 VLOS 승인 아래였다. 업체 시험이라 이해관계가 있고 독립 검증은 확인하지 못했다.

한국의 K-드론시스템 실증(2021). 영월의 드론 시험장에서 국토교통부가 LTE와 5G 데이터링크로 드론 7대를 동시에 띄워 비행계획 관리·위치 추적 같은 핵심 기능을 시험했다고 보도됐다. 이동통신 3사(KT·SK텔레콤·LG유플러스)가 참여했다. ETRI 자료는 일반 LTE 셀이 지상 사용자용으로 설계돼 고도에서의 성능이 보장되지 않음을 지적하고 영월 시험장에서의 상공 신호 품질 측정을 보고한다(검색 요약, 수치는 확인하지 못했다). 통신사 전용 드론 LTE망이 운영된다는 근거는 확인하지 못했다.

미국의 규제. 47 CFR 22.925는 800 MHz 셀룰러 대역에서 항공기에 실린 휴대전화의 비행 중 사용을 금지해 왔다(2020년판 규정문으로 확인). 2026년 10월에 FCC가 무인항공기를 이 금지에서 제외하는 규정안(문서 FCC-CIRC2610-03)을 내놓았고 표결이 10월 29일로 예정됐다는 무역지 보도가 있다. 표결 결과는 확인하지 못했다. 2026년 9월에는 DOT의 이동통신망 항공 평가 프로그램에 관한 항공 이동 제한 면제 명령(DA 26-972)이 나왔다는 요약이 있다 (확인 필요). 한국의 전파법상 취급(항공기에 실은 이동국으로서의 지위와 허가)은 이 장에서 확인하지 못했다. 18.16에서 확인한다.

3.14.10 설계 트레이드오프

선택지는 셋이다.

① 단일 통신사·단일 모뎀. 가볍고 싸고 단순하다. 고도에서의 사각과 통신사 장애가 곧 링크 상실이다. 저고도·낮은 위험 범주(BVLOS 저위험)의 영상 링크에 맞는다.

② 이중 통신사·이중 모뎀. 통신사 단위의 장애에는 강하다. 같은 철탑·같은 안테나·같은 가림의 공통 원인이 $\beta$로 남는다. 모뎀 둘의 질량·전력과 안테나 두 개의 분리 배치가 든다.

③ 셀룰러 + 다른 매체(전용 C2 대역·위성). 공통 원인이 가장 작다. 단말 비용과 질량이 가장 크다(3.11, 3.13).

판단 기준① 단일② 이중 통신사③ 이종 매체
비가용도의 하한링크 하나의 $U$ 전체$\beta U$가장 작음
단말 부담작음중간큼
운용 고도 제한망 측정에 의존망 측정에 의존덜 의존
인증에서의 논증 부담큼(공공망 보증 없음)큼이종 경로가 논증을 돕는다

운용하는 쪽에서 할 수 있는 일은 다음과 같다.

  • 경로의 상공 신호 측정 — 고도별 RSRP·SINR·지연을 비행 전 시험으로 기록한다(측정은 3.20).
  • 운용 고도의 선택 — 고도 30~60 m 사이에서 환경이 바뀌므로, 그 위로 올라가는 구간은 따로 측정한다.
  • 통신사와의 합의 — 공중 단말 가입(항공 가입) 제공 여부, 서비스 수준, 간섭 관리 정책을 확인한다.
  • 하드웨어 분리 — 안테나 둘을 서로 다른 면에 달고 모뎀 전원을 분리한다(3.6).
  • 링크 품질 지표를 FDIR 입력으로 — 신호 세기·지연이 임계를 넘으면 귀환·착륙 절차를 시작한다(2.5·2.6).

견해: 셀룰러는 BVLOS의 저위험 범주 주 링크 또는 보조 링크로 가장 현실적이고, 안전 필수 단일 C2로 사용하려면 통신사와의 서비스 수준 합의, 높이 기반 보고 같은 망 지원 기능, 운용 고도·경로의 망 측정이 함께 필요하다고 본다. 근거는 3.14.5의 방향(고도·밀도에 따라 간섭이 커진다)과 공공망이 항공 안전 요건을 보증하지 않는다는 점이다. 반대로 한 지역에서 소수의 기체가 120 m 이내로 나는 배송·점검 임무는 실증이 보인 범위에서 실용적이다. 기체 밀도가 커지는 AAM·대규모 배송에서는 전용 대역이나 사설망이 필요하다는 논의가 이어질 것이다(15.15).

3.14.11 세 축 비교 — 같은 망, 다른 요구

항목군용 드론민간 UASAAM
셀룰러의 역할평시·훈련·후방 지원, 전장 주 링크로는 제한적 (확인 필요)BVLOS 영상·C2의 주력 후보지상 인프라 연동 후보, 안전 필수 C2는 별도 요건
운용 고도임무에 따라 큼대부분 120 m 이내수백 m
간섭의 지배 요인의도적 방해와 탐지가시선 간섭·망 부하기체 밀도 증가, 가시선
다중화이종 매체·보호 링크이중 통신사·이종 매체이종 매체 필수 가능성
규제·인증군 규정전파법·항공 규정(국가별)항공 안전 통신 요건
관련 장3.16·5.814.23·14.1515.15·15.13

3.14.12 관련 규격·프로토콜

문서발행무엇을 정하나상세
TR 36.777 Enhanced LTE support for aerial vehicles3GPP공중 단말 LTE 연구(Release 15)9.15
TS 36.331 (LTE RRC)3GPP높이 기반 측정 보고 이벤트 등 (조항 확인 필요)9.15
TS 22.125 UAS support in 3GPP3GPPUAS 서비스 요구(Stage 1)9.15
TS 23.256 · TS 33.2563GPPUAS 연결·식별·추적, UUAA, 보안 (판 확인 필요)9.15·9.19
ITU-R M.2410ITU-RIMT-2020 최소 요구(URLLC 지연·신뢰도)9.15
ITU-R P.1410ITU-R광대역 무선 접속 전파 자료, 건물 통계 기반 가시선 모형의 출처 (판·세부 확인 필요)3.4
ASTM F3411 (네트워크 Remote ID 포함)ASTMRemote ID 규격 (판 확인 필요)9.12·14.24
RTCA DO-362ARTCAC2 링크 성능 표준(셀룰러 적용 범위 확인 필요)9.13

유료 표준은 번호와 요지만 적었다.

3.14.13 관련 규제·인증 요구와의 연결

이 장의 기술일으키는 요구장
항공기에 실은 이동국의 셀룰러 이용전파법·주파수 규정(미국 47 CFR 22.925 사례), 면허 사업자의 허용18.16·17.19
셀룰러 C2C2 링크의 필요 성능(지연·가용도·무결성), 링크 상실 절차3.11·9.13·17.2
공중 단말의 간섭통신사의 간섭 관리와 허용 조건, 기체 수 상한3.19
식별·인증(UUAA)UTM·Remote ID와의 연동14.22·14.24
안전 필수 링크로서의 셀룰러서비스 수준, 공통 원인 고장 분석2.5·20.1
사이버SIM·코어 접근의 인증과 하이재킹 방호8.11·8.16

3.14.14 함정과 한계

오해실제더 볼 곳
"고도가 높으면 기지국이 더 잘 보여서 신호가 좋다"서빙 수신 전력은 비슷한데 간섭이 커져 SINR이 내려간다3.14.5
"지상에서 잘 되면 하늘에서도 된다"지상 시험은 건물이 가려 주는 환경이다. 고도 30~60 m에서 가시선이 열린다3.14.4.1
"5G URLLC면 지연이 1 ms다"1 ms는 무선 구간의 요구이고 종단 지연이 아니다. 영상 경로 233 ms가 남는다3.14.7
"통신사 두 곳이면 다중화다"같은 철탑·같은 가림·같은 고도의 사각이 공통 원인으로 남는다3.14.8
"한 대는 문제없으니 100대도 괜찮다"상향 간섭은 대수에 따라 쌓인다. 이 모형은 한 대만 본다3.14.5.3
"실증 한 번이면 보증된다"업체 시험은 VLOS·소수 기체·특정 망이다3.14.9

이 장의 한계도 밝힌다.

  • 몬테카를로는 교육용이고 파라미터는 가정이다. 방향은 믿을 수 있으나 절대값은 아니다.
  • 3GPP·FCC의 최신 문서는 검색 요약으로 확인했다. 사양 원문은 읽지 못했다.
  • 한국의 통신사 정책, 항공기에 실은 이동국의 전파법상 지위는 확인하지 못했다.
  • 5G 상용망의 URLLC 배치와 공중 단말 지원 현황은 확인하지 못했다.

3.14.15 체크포인트·연구 질문

체크포인트

  1. 하향 틸트한 기지국 앞에서 고도 100 m 기체의 서빙 수신 전력이 지상 단말과 거의 같은 이유를 안테나 이득과 경로 손실의 차이로 설명하라.
  2. 가시선 확률 식에서 고도가 올라가면 값이 오르는 이유를 건물 높이 분포로 설명하라. 건물 수 $m+1$은 어떻게 정하나?
  3. 하향에서는 기체가 피해자이고 상향에서는 가해자인 이유는 무엇인가?
  4. 2.11.6의 C 구성에서 링크 80 ms를 0으로 줄여도 한계 지연 169 ms를 못 맞추는 이유는?
  5. 링크 하나의 가용도 99 %, 공통 원인 비율 0.3이면 다중화의 합 가용도는 얼마인가?
  6. 이 장의 몬테카를로가 Qualcomm의 시험 결과와 어긋나 보이는 이유 후보 셋을 말하라.

연구 질문 — 이 장에서 파생되는 열린 주제(25.7에 모은다)

  1. 공중 단말 밀도와 상향 간섭의 스케일링 — 같은 셀에 기체가 $N$대일 때 지상 사용자의 처리량 저하를 공개 측정으로 어떻게 보일 수 있는가?
  2. 높이 기반 보고를 사용하는 간섭 완화의 실효 — 비행 모드 탐지와 높이 기반 보고가 실제 망에서 SINR을 어느 정도 되돌리는가? 통신사의 공개 자료는 어디까지 있는가?
  3. 셀룰러 C2의 공통 원인 비율 추정 — 두 통신사의 같은 철탑·같은 사각이 고도별로 얼마나 중첩되는지 공개 측정으로 어떻게 추정하는가?
  4. 셀룰러 C2의 항공 안전 인정 경로 — 서비스 수준 합의와 공공망의 비보증을 어떻게 한 안전 논증으로 묶는가?

1차 출처(이 장)

  • 3GPP TR 36.777; TS 22.125; TS 23.256; TS 33.256; TS 36.331; TR 38.901 — 3GPP 포털(판은 확인 필요).
  • ITU-R M.2410 (IMT-2020 최소 요구); ITU-R P.1410 (판은 확인 필요).
  • Zeng, Y.; Zhang, R.; Lim, T. J., "Wireless communications with unmanned aerial vehicles: opportunities and challenges", IEEE Communications Magazine, 2016.
  • Zeng, Y.; Lyu, J.; Zhang, R., "Cellular-connected UAV: potential, challenges, and promising technologies", IEEE Wireless Communications, 2019.
  • Al-Hourani, A.; Kandeepan, S.; Lardner, S., "Optimal LAP altitude for maximum coverage", IEEE Wireless Communications Letters, 2014 (시그모이드 가시선 모형의 출처. 파라미터는 이 장이 작성하지 않았다).
  • Qualcomm Technologies, LTE Unmanned Aircraft Systems Trial Report, 2017 (업체 시험 보고, 판 확인 필요).
  • 47 CFR 22.925 (eCFR); FCC 문서 FCC-CIRC2610-03·DA 26-972 (확인 필요).

출처를 찾고 판을 추적하는 방법은 0.9에서 다룬다.


다음 장: 3.15에서 하늘의 오래된 통신, 곧 항공 VHF 음성과 데이터링크를 본다. 8.33 kHz 채널이 25 kHz 채널보다 몇 배 많은지 식으로 구하고, VHF의 가시선 통달거리를 높이로 계산하며, LDACS·AeroMACS와 UAM이 이 체계의 어디에 들어가는지 다룬다.